航芯：电子产品如何硬刚「盗版」这些知识速来了解

发布时间:2024-04-09

前言

嵌入式应用无处不在，从消费电子到工业控制，让智能化生活触手可及。然而，在便利的背后，安全威胁也在不断增加，针对电子设备的安全攻击事件层出不穷。因此，如何保护设备不被入侵或篡改始终是一项关键设计挑战。

「多场景下的安全认证需求」

在多样化的应用场景中，安全认证是确保每一次通信都安全可靠的关键要素。

电路防抄板：提升产品被仿制的难度

为避免产品一经上市，就被同行“模仿”让努力都付之东流，甚至失去市场份额。安全认证芯片能在版权保护中发挥关键作用，有效防范反向工程攻击，避免被未授权的第三方拷贝程序和仿冒。

电子配件认证：杜绝伪造守护品质安全

因假冒伪劣配件而不断引发的安全事故，将危及设备功能和用户安全，从而损害品牌价值。安全认证芯片可用于验证配件真伪，确保仅授权的正品配件得以使用。适用于智能设备电池、打印机墨盒、电子烟烟弹、滤水器和净水器、可穿戴设备、电动工具等应用。

医疗耗材认证：配套产品的质量管控

针对医疗耗材，安全认证芯片可用于存储传感器的关键医疗参数，确保耗材能精准校准到仪器。且可用于验证配件真伪，防止使用未经授权的耗材。适用于血氧监护仪、心电监护仪、B超探头、便携式呼吸机等应用。

汽车配件认证：保障汽车零部件安全

针对汽车配件，安全认证芯片可嵌入任何有被伪造风险的汽车外围设备，用于识别和校准汽车配件，通过验证汽车组件确保车辆安全性和可靠性。适用于汽车摄像头、传感器、电动汽车电池、前灯模块、车载香氛等应用。

工业设备安全：让智能化与安全并行

在工业自动化中，安全认证芯片用于确保机器和传感器的数据传输不被篡改和伪造，防止因外部攻击引发的信息泄露和系统崩溃等问题。

芯品推荐：航芯ACL16_A系列

针对以上应用，航芯推出了一款专为设备认证设计的安全芯片ACL16_A系列。这款芯片集成了多项安全特性，实现数据加密和安全认证的双重功能，能够轻松应对各种复杂的设备认证挑战。采用1-Wire单总线通信，实现简化设计和高效传输，大幅提升认证速度。更为精巧的LGA4封装设计显著减少了空间占用，为设计人员在产品布局上提供了更大的灵活性。而且设计人员无需具备深厚的安全加密知识，也能轻松地将ACL16_A系列芯片嵌入到产品中，实现快速开发和高效安全认证。

「两种算法满足多样化安全认证需求」

对称加密算法：满足基础级安全需求

ACL16_AHM系列是一款基于对称加密算法的安全认证芯片。采用1-Wire单总线通信，集成了HMAC和SHA-256算法引擎、FIPS/NIST兼容真随机数发生器、128-byte安全EEPROM用户存储区、20位仅递减计数器和唯一的64位ROM识别码。

ACL16_AHM：HMAC实现安全认证

ACL16_AHM基于对称加密算法，即加密和解密使用相同的共享密钥。而HMAC利用对称加密，可以实现“认证”和“检测篡改”这两个功能。

HMAC实现安全认证的过程

由主机向认证器件发送一个随机数挑战。认证器件用共享密钥加密随机数，并使用SHA-256对加密结果进行HASH运算，生成一个哈希值作为签名，并将运算结果发送给主机。主机执行相同的运算并对结果进行比较，如运算结果相同，则认为认证器件是一个合法设备。ACL16_AHM系列HMAC认证的运算时间约5ms。

ACL16_AHM：性能优势和适用场景

HMAC-SHA256算法使用了哈希函数，其计算效率高，对系统性能的影响较小，适用于对认证应答实时性要求高，而主机设备性能要求不高的应用场景，可以在降低成本的同时实现安全认证的需求。

非对称加密算法：满足进阶级安全需求

ACL16_AEC系列是一款基于非对称加密算法的安全认证芯片。采用1-Wire单总线通信，集成了ECDSA和SHA-256算法引擎、FIPS/NIST兼容真随机数发生器、1KB安全EEPROM存储区、20位仅递减计数器和唯一的64位ROM识别码。

ACL16_AEC：ECDSA实现安全认证

ACL16_AEC基于非对称加密算法，即加密和解密使用不同的密钥：公钥和私钥。公钥用于加密数据或验证数字签名，可对外界公开；私钥用于解密数据或创建数字签名，仅所有者知道。并且，密钥将经过证书授权中心签发数字证书，明确了密钥所有者的身份信息。

所以，ECDSA利用非对称加密，既可以实现“认证”和“检测篡改”的功能，还可以验证密钥所有者的身份，具有更好的防止伪造能力。

ECDSA实现安全认证的过程

由主机向认证器件发送一个随机数挑战。而认证器件根据随机数和私钥，使用ECDSA计算数字签名，并将运算结果发送给主机。主机使用公钥对数字签名进行验证。如果结果一致，则认为认证器件是一个合法设备。ACL16_AEC系列ECDSA的运算时间约250ms。

ACL16_AEC：性能优势和适用场景

ECDSA-SHA256算法结合了椭圆曲线密码学和SHA-256的强安全性，加密强度要高于HMAC；相较RSA算法，ECDSA用更短的密钥长度，实现更高的安全性，对存储空间和传输带宽占用较少。适用于对安全性要求高，且主机设备具备高性能的移动设备和嵌入式系统。

「密钥安全存储难题：航芯有什么高招」

面对不断进化的安全攻击手段，密钥存储的安全性成为了薄弱环节。所以，从密钥的「诞生」到经历千万次的运算「功成身退」，航芯将层层把关每道安全防线，守护产品在全生命周期的功能安全。接下来，我们将深入解读航芯ACL16_A芯片所具备的一系列强大的安全特性。

密钥的安全生成：实现长效密钥保护

ACL16_AHM密钥的生成：采用对称算法体系，使用共享密钥。密钥可以通过真随机数发生器创建或支持客户定制。通过具有高度安全和保密性的生产环节，以密文方式从外部写入芯片中。

ACL16_AEC密钥的生成：采用非对称算法体系，使用「公私钥对」。密钥通过芯片内置的真随机数发生器和ECDSA硬件算法引擎，自主创建 1 组密钥，或支持外部写入，通过证书链便于管理，使密钥分发更安全。通常私钥是固定的，但每次应用时都会加入随机数，所以外部看到的密钥是在变化的。

密钥的生命周期与安全性：航芯安全芯片存储寿命至少10年，而密钥在全生命周期内都是有效的。在使用的过程中，虽然密钥是固定的，但每次认证质询的随机数不同，所以无法通过模拟单总线上的数据进行破解。

安全存储功能：敏感信息的坚实盾牌

加密存储：安全EEPROM存储区上的数据采用加密存储，并且存储地址使用串扰，从而使得数据在物理层面上不易被直接读取或解码。

权限管理：存储器是可配置的，用于储存用户数据、密钥、控制寄存器、认证证书等。存储器分为32页，每页32字节，每个存储页面都可以配置特定的访问规则，如允许读写、只读或需要验证后才能访问，确保只有经过授权的操作才能对特定页面进行读写，从而实现了对敏感数据的精确控制。例如，可根据实际应用设定密钥的访问权限，实现配置不同安全等级的密钥。

指令控制：指令集包括ROM和Function两大部分，它定义了处理器可以执行的操作，包括对存储器的访问和控制。通过指令集可以实现对存储器的加密、访问权限验证、数据完整性校验等安全措施。例如，当密钥被配置为不可读出后，可通过命令获得对应的公钥来实现验证功能。

固件IP保护：该功能支持安全启动和安全更新，为设备提供了一个可信任的运行环境。通过在PCB上放置安全芯片，固件运行时验证安全芯片是否有正确的密钥，即使固件被复制也会因为没有密钥而无法运行，以此来实现对代码的保护。

可靠的反制措施：防御多种安全攻击

通过在密钥参与运算时引入真随机数掩码技术，有效掩盖了在加解密和签名验证过程中因数据运算引起的功耗泄露，有效防御DPA/SPA攻击；通过监测电压、温度和电磁场等关键参数，确保硬件在安全的环境中运行，任何超出正常范围的波动都可能触发警报，促使系统采取保护措施，有效抵御DFA错误注入攻击。

赋予芯片身份标识：确保精准识别与安全

128位唯一序列号 (UID)：该序列号绑定了芯片出厂的LOT/WAFER ID和坐标等。该序列号唯一且不可复制，不支持读出。开发者可将应用程序与该芯片的序列号绑定，这样可以使每个下载应用程序的芯片不可被复制。

64位唯一ROM识别码 (ROM ID)：每个芯片都有唯一且不能更改的64位ROM地址码，该地址码由工厂光刻写入芯片，为每个芯片提供了一个不可篡改的身份标识，防止身份伪造和非法复制。

「1-Wire单总线：简化设计和高效传输」

1-Wire单总线使用1-Wire和GND两根线，借助芯片内部二极管和外置电容器件，将1-Wire总线上的方波信号转换成直流电源信号，为从机的硬件系统提供电源输入，实现主机与一个或多个设备之间的通信，可提供稳定可靠的数据传输，同时简化系统设计，降低生产和维护成本，因此成为许多产品设计中的优选通信方案。

ACL16_A系列：1-Wire硬件特点

• 1-Wire通信支持最大62.5kbps的高速模式

• 工作电压：1.75V-3.63V

• 工作温度：-40℃至+85℃

• 4引脚LGA封装 (1.22mm*1.22mm*0.35mm)

• 50uA(Typical) StandBy模式

• 2uA(Typical) PoweOff模式

• ESD：±8KV(HBM)